DE4004736A1 - Einrichtung zur kontrollierten ablation durch laserstrahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur kontrollierten Ablation von Material von einer vorgegebenen Bearbeitungsstelle, mit

• - einem Laser zum Erzeugen von Laserstrahlungsimpulsen mit einer Wellenlänge in einem für die Ablation geeigneten Wellenlängenbereich,
• - einem Strahlungsanalysiergerät,
• - einem ersten Lichtwellenleiter zum Übertragen der Laser­ strahlungsimpulse vom Laser zur Bearbeitungsstelle und
• - einem zweiten Lichtwellenleiter zum Übertragen von Strah­ lung aus einem Bereich in der Nähe der Bearbeitungsstelle zum Strahlungsanalysiergerät.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus einer Veröffentlichung von G. Laufer et al, Circulation 1988; 78: 1031-1039 bekannt.

Einrichtungen der obengenannten Art werden beispielweise für die Angioplastie im koronaren oder peripheren Bereich ver­ wendet. Zur Erzeugung von kurzwelliger Laserstrahlung, insbesondere im ultravioletten Spektralbereich, die die Ablation durch nichtthermische Wechselwirkung mit biologi­ schen Materialien bewirkt, haben sich Excimerlaser als geeignet erwiesen, z. B. XeCl-Laser (Wellenlänge 308 nm, Pulsdauer 6-300 ns, Repetitionsrate bis 500 Hz) oder KrF- Laser (Wellenlänge 248 nm, Pulsdauer 10-100 ns, Repetitions­ rate z. B. 50 Hz). Die Laserstrahlung kann hierbei über einen Multifaserkatheter an den Ort der Intervention geleitet werden.

Für die klinische Anwendung ist unabdingbar, während der Ablation Plaque und normales Gewebe sicher unterscheiden zu können. Aus der obengenannten Veröffentlichung von Laufer et al ist es zwar bekannt, daß die Gewebefluoreszenz in vitro sowohl bei Anregung unterhalb der Ablationsschwelle als auch während der Ablation erkennbare Unterschiede zwi­ schen normaler Media, Adventitia sowie weichem und kalzifi­ ziertem Plaque zeigt. Diese Unterschiede sind jedoch nicht sehr stark ausgeprägt und daher für eine klinische Anwendung nur bedingt geeignet. Ein besonderes Problem stellt auch das bei medizinischen Anwendungen an der Bearbeitungsstelle normalerweise vorhandende Blut dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart weiter­ zubilden, daß eine sicherere Unterscheidung der an der Bearbeitungsstelle vorhandenen Materialien gewährleistet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Anregung der für die Analyse verwendeten Fluoreszenz­ strahlung durch die zur Ablation dienende Ultraviolett­ strahlung wegen der für komplexe organische Verbindungen typischen breiten Fluoreszenzspektren nicht günstig ist. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Fluoreszenz­ strahlung daher durch eine von der zur Ablation dienenden Laserstrahlung verschiedene Strahlung angeregt, deren Wellenlänge in einem für die Fluoreszenzanregung günstigeren, insbesondere langwelligeren Wellenlängenbereich liegt. Zur Erzeugung der die Fluoreszenz anregenden Strahlung eignet sich besonders ein kontinuierlich über den gesamten sicht­ baren und nahen infraroten Spektralbereich durchstimmbarer Laser, insbesondere Farbstofflaser, mit dem eine Resonanz­ fluoreszenz von interessierenden Materialien an der Bearbeitungsstelle angeregt werden kann. Zur gesonderten Anregung der materialspezifischen Fluoreszenz kann ein Laserstrahlungspuls verwendet werden, der gleichzeitig mit dem die Ablation bewirkenden Laserpuls oder vorzugsweise etwas, z. B. einige 100 Nanosekunden, bezüglich dieses Pulses verzögert in den Bereich der Bearbeitungsstelle eingestrahlt wird.

Die vorliegende Einrichtung kann für die verschiedensten Zwecke verwendet werden, z. B. kontrollierte Laserangio­ plastie durch spektrale Analyse mit einem Farbstofflaser; chirurgische Anwendung zum kontrollierten Schneiden; Laser- Lithotropsie; dentalmedizinische Anwendungen; Material­ analysen an schwer zugänglichen Stellen; Analyse, ins­ besondere Nachweis von Schadstoffen in gasförmigen, flüssi­ gen und festen Materialien; Nachweis von Korrosion an schwer zugänglichen Stellen u. a. m.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur kontrollierten Laserangio­ plastie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 einen abgewandelten Teil der Einrichtung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch eine endoskopische Einrichtung 10 dargestellt, die sich insbesondere für die Angioplastie eignet aber selbstverständlich auch für andere Zwecke verwendet werden kann, bei denen eine kontrollierte Laserstrahlbearbeitung an einer schwer zugänglichen Stelle erforderlich ist. Die Einrichtung 10 enthält eine Lichtwellenleiteranordnung 12 mit einem geordneten Lichtleitfaserbündel 12a und zwei ungeord­ neten Lichtleitfaserbündel 12b und 12c. Das geordnete Faser­ bündel 12a bildet einen Teil eines konventionellen Endoskops, mit dem der Bearbeitungsbereich visuell beobachtet werden kann. Das erste ungeordnete Faserbündel 12b ist mit seinem äußeren (in Fig. 1 linken) Ende optisch mit einem ersten Laser 14 gekoppelt, der zur Erzeugung der die Ablation bewirkenden Laserstrahlung, insbesondere Ultraviolett- Strahlung, dient. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Laser 14 ein XeCl-Excimerlaser, der Laserstrahlungspulse mit einer Pulsdauer, die zwischen 6 und 300 ns und einer Repetitionsrate von bis zu 500 Hz bei einer Wellenlänge von 308 nm liefert. Das Eingangsende des zweiten ungeordneten Lichtleitfaserbündels 12c ist mit einem zweiten Laser 16 über einen teildurchlässigen, gegebenenfalls dichoitrischen Spiegel 18, der die Strahlung des Lasers 16 transmittiert, gekoppelt. Das Lichtleiterfaserbündel 12c oder ein zusätz­ liches dient außerdem zur Rückübertragung von Strahlung aus einem Bereich 20 in der Nähe der Bearbeitungsstelle (z. B. einem Plaque) zu einem Strahlungsanalysiergerät 22. Die aus dem vorderen Ende des Lichtleitfaserbündels 12c austretende Strahlung wird vom teildurchlässigen Spiegel 18 in den Eingang des Strahlungsanalysiergerätes 22 reflektiert.

Der Laser 16 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein gepulster Farbstofflaser, der kontinuierlich über den gesamten sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich, also z. B. von etwa 320 nm bis 1,3 µm, durchstimmbar ist. Das Strahlungsanalysiergerät 22 ist ein Spektrometer oder ein Monochromator und auf einen gewünschten engen Spektral­ bereich oder eine gewünschte Fluoreszenzlinie einstellbar. Es liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das ein Maß für die Intensität der Strahlung im eingestellten Spektral­ bereich ist.

Die Einrichtung 10 enthält ferner eine Steuereinheit 24, welche einen Ausgang 26 aufweist, an dem Auslösepulse für die Laser zur Verfügung stehen. Die Auslösepulse werden im Laser 14, der die die Ablation bewirkenden UV-Strahlungs­ pulse erzeugt, direkt zugeführt, dem Laser 16, der die zur Fluoreszenzanregung und Materialanalyse dienenden lang­ welligeren Strahlungspulse liefert, über ein Verzögerungs­ glied 28, durch das die Auslösung der Strahlungspulse des Lasers 16 bezüglich der Auslösung der Strahlungspulse des Lasers 14 um eine vorgegebene, vorzugsweise einstellbare Dauer (z. B. zwischen 0 und 1µs) verzögert werden kann. Gewünschtenfalls kann auch das Strahlungsanalysiergerät 22 direkt oder über ein Verzögerungsglied 30 getastet werden.

Bei der Laserablation von Plaques kann mittels des zweiten Lasers 16 beispielsweise eine der charakteristischen Linien des im harten Plaque enthaltenen Kalziums selektiv angeregt werden, z. B. eine Linie des neutralen Kalziumatoms (CaI) bei 422,7 nm oder 657,3 nm oder eine Linie des einfach ionisier­ ten Kalziums bei 394,3 nm oder 396,8 nm. Im Gegensatz zur breitbandigen Anregung des ganzen Fluoreszenzspektrums wird die Resonanzfluoreszenz des vom Farbstofflaser selektiv angeregten Überganges auf der gleichen Linie, oder wie es für CaII leicht möglich ist, auf einer anderen Linie aus dem Zerfall des oberen angeregten Niveaus (854,2 nm) quantitativ gemessen und daraus die Kalziumkonzentration on-line berech­ net. Dies erlaubt eine Unterscheidung der ablatierten Mate­ rialien und somit eine in-situ Kontrolle der Laserinter­ vention. Hierdurch ist eine vollständige Ablation von Plaques und somit die gezielte Beseitigung einer Stenose möglich. Da die Materialabtragung nur wenige µm pro Laserpuls beträgt, kann eine unerwünschte Perforation der Gefäßwand auch durch eine automatische Steuerung des Lasers 14 vermieden werden, wie durch eine Verbindung 32 des Ausganges des Strahlungsanalysiergerätes 32 mit der Steuereinheit 24 angedeutet ist. Zur visuellen Überwachung der Ablation kann ein mit dem Ausgang des Analysiergerätes 22 verbundener, durch die Auslöseimpulse synchronisierter Monitor 34 vorgesehen sein.

Am inneren Ende der Lichtleiteranordnung 12 kann ein Strahlungsumlenkelement 36, z. B. in Form eines Prismas mit verspiegelter Hypothenusenfläche, vorgesehen sein. Das Prisma kann einen als Linse ausgebildeten Teil 36a enthalten, welcher einen Teil des Endoskops bildet.

Wie Fig. 2 zeigt, genügt auch ein einziges Lichtleitfaser­ bündel 12d für die Übertragung der Strahlung von den Lasern 14, 16 zur Bearbeitungsstelle und zur Rückübertragung der zu analysierenden Strahlung ("Analysestrahlung") zum Analysier­ gerät 22. Es sind dann zwei teildurchlässige Spiegel 18a, 18b vorgesehen. Die Strahlung vom ersten Laser 14 fällt durch den ersten teildurchlässigen Spiegel 18a in das äußere Ende des Faserlichtleiters 12d. Die Strahlung vom zweiten Laser fällt durch einen zweiten teildurchlässigen Spiegel 18b und wird vom ersten teildurchlässigen Spiegel 18a in den Faser­ lichtleiter 12d reflektiert. Die aus dem Faserlichtleiter 12d zurückkehrende Strahlung wird zuerst vom Spiegel 18a zum Spiegel 18b und dann von diesem in das Analysiergerät 22 reflektiert.

Die Faserlichtleiter 12b, 12c und 12d bestehen zweckmäßiger­ weise aus Quarzglasfasern, deren Endflächen wahlweise zur Strahlungsaufweitung oder Strahlfokussierung als Linsen aus­ gebildet sein können. Zur einfacheren Strahlführung können die Endflächen auch mit einem Taperansatz (konusförmige Auf­ weitung der Faser) ausgebildet sein. Zur Strahlungsübertra­ gung können auch Monofasern verwendet werden. Die Strahlen­ gänge zur Übertragung der zur Ablation oder anderweitigen Strahlungsbehandlung dienenden Strahlung, der Strahlung, die die zur Analyse dienende Strahlung erzeugt, und der zur Analyse dienenden Strahlung können auch durch andere Licht­ wellenleiter oder Strahlführungssysteme realisiert werden.

Claims (11)

1. Einrichtung zur kontrollierten Ablation von Material von einer vorgegebenen Bearbeitungsstelle, mit

• - einem ersten Laser (14) zum Erzeugen von Laserstrahlungs­ pulsen mit einer Wellenlänge in einem für die Ablation geeigneten Wellenlängenbereich, einem Strahlungsanalysiergerät (22), und
• - einer Lichtwellenleiteranordnung zum Übertragen der Laser­ strahlungspulse vom ersten Laser (14) zur Bearbeitungs­ stelle und zur Übertragung von Strahlung zur Materialana­ lyse (Analysestrahlung) aus einem Bereich (20) in der Nähe der Bearbeitungsstelle zum Strahlungsanalysiergerät,

gekennzeichnet durch

• - einen zweiten Laser (16) zum Erzeugen einer die Analyse­ strahlung hervorrufenden weiteren Laserstrahlung mit einer von der Wellenlänge der ersterwähnten Laserstrahlungspulse verschiedenen Wellenlänge, und
• - einen weiteren Lichtwellenleiter zur Übertragung der weiteren Laserstrahlung in den Bereich (20) in der Nähe der Bearbeitungsstelle.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Laserstrahlung eine größere Wellenlänge als die die Ablation bewirkende Laserstrahlung hat.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Laser Laserstrahlungsimpulse mit einer Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich liefert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Laser (16) durchstimmbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laser ein Farbstofflaser, vorzugsweise gepulst, ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung (24, 28) zur zeitlichen Steuerung der Auslösung der vom ersten bzw. zweiten Laser emittierten Laserstrahlungspulse.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung ein Verzögerungsglied (28) zur Verzöge­ rung der Auslösung der Pulse des zweiten Lasers (16) bezüglich der Pulse des ersten Lasers (14) aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung des Verzögerungsgliedes (28) einstellbar ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung (24, 32) zur Steuerung des ersten Lasers (14) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Strahlungsanalysiergerätes (22).

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiteranordnung eine Faserlichtleiteranordnung (12) und/oder eine Spiegel­ gelenkarmanordnung enthält.